Un finanziamento da 4 milioni di euro nell’ambito di Horizon 2020, quasi cinque anni di ricerca e un consorzio che unisce l’eccellenza accademica europea – con il capofila ZHAW Zürich, l’Imperial College London e il Politecnico di Milano – a partner industriali del calibro di STMicroelectronics e Multiwave Technologies. Sono questi i numeri del progetto MetaVEH (Metamaterial Enabled Vibration Energy Harvesting), giunto a conclusione con un risultato tangibile: un prototipo di sensore su scala micro, appena 300 micron, che si auto-alimenta ed è privo di piombo e terre rare.

Una soluzione che risponde a una duplice sfida industriale: l’alimentazione dei sensori in postazioni inaccessibili e la sostenibilità dei materiali usati per la componentistica elettronica avanzata.

Il problema di partenza è noto a qualsiasi gestore di infrastrutture o reti. I sensori per il monitoraggio strutturale o ambientale sono spesso collocati in punti scomodi, come le travi di un viadotto o la cima di un’antenna. La loro manutenzione, in particolare la sostituzione delle batterie, rappresenta un costo operativo ingente e un’interruzione del servizio. A questo si aggiunge l’impatto ambientale legato allo smaltimento di milioni di batterie esauste.

L’idea del consorzio è stata quella di sfruttare l’energia già presente nell’ambiente, applicando il concetto di energy harvesting. I sensori sviluppati da MetaVEH sono progettati per catturare le vibrazioni ambientali – come quelle generate dal passaggio di veicoli su un ponte – e trasformarle nell’energia elettrica necessaria al loro stesso funzionamento e alla trasmissione dei dati.

La doppia innovazione: materiali ‘green’ e ‘rainbow trapping’

La vera innovazione del progetto risiede in due avanzamenti tecnologici complementari. Il primo riguarda i materiali. La conversione da energia meccanica (vibrazione) a elettrica avviene tramite materiali piezoelettrici. Tuttavia quelli più performanti oggi in uso contengono piombo, un elemento tossico.

I ricercatori di MetaVEH hanno validato un’alternativa basata sul nitruro di alluminio, un materiale standard, di facile reperibilità e privo di elementi tossici o di quelle terre rare che pongono noti problemi di approvvigionamento etico e strategico.

«Con i colleghi del Dipartimento di Meccanica di ateneo abbiamo lavorato molto per trovare un’alternativa ‘green’», ha spiegato Raffaele Ardito, docente del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale e coordinatore di MetaVEH per il Politecnico di Milano. Il risultato è «un prototipo che è un energy harvester su scala micro con materiale piezoelettrico senza piombo, né terre rare, quindi neutro da un punto di vista etico e di sostenibilità ambientale».

Il secondo avanzamento, che dà il nome al progetto, è l’uso di metamateriali meccanici. Un materiale ‘green’ è spesso meno performante di uno tradizionale. Per ovviare a questo, il consorzio ha ingegnerizzato materiali con proprietà meccaniche specifiche, realizzati con tecniche innovative di stampa 3D. Questi metamateriali sono in grado di manipolare la propagazione delle onde elastiche (le vibrazioni).

Sfruttando un fenomeno denominato “rainbow trapping”, la struttura del metamateriale “cattura” l’onda di vibrazione che la attraversa e la forza a concentrarsi esattamente dove è posizionato il materiale piezoelettrico. In questo modo l’energia meccanica viene amplificata, rendendo l’efficienza del materiale ‘green’ sufficiente per alimentare il dispositivo. Questa tecnologia di ingegnerizzazione dei metamateriali è stata brevettata congiuntamente da Imperial College London e Politecnico di Milano.

Il ruolo di STMicroelectronics: dalla ricerca alla fabbricazione MEMS

La presenza di STMicroelectronics nel consorzio ha garantito il fondamentale collegamento tra la ricerca accademica e la scalabilità industriale. Il partner italo-francese ha avuto il compito di tradurre questi concetti in un prodotto fabbricabile.

STMicroelectronics ha realizzato i prototipi su scala micrometrica (MEMS – Micro-Electro-Mechanical Systems) integrando i nuovi materiali piezoelettrici senza piombo direttamente nel processo di fabbricazione. Questo passaggio non è banale: dimostra che l’innovazione non richiede uno stravolgimento delle linee produttive esistenti, ma può essere inserita nei processi di fabbricazione dei semicondottori già consolidati. Il risultato è un dispositivo funzionante che occupa lo spazio di una monetina da un centesimo.

«Con MetaVEH abbiamo provato che gli harvester di energia vibrazionale possono passare dalla teoria a una piattaforma multisensore completamente autonoma», ha affermato Andrea Colombi, docente alla ZHAW Zürich e coordinatore del progetto.

Le applicazioni: dal monitoraggio simico ai risonatori 6G

Le implicazioni industriali di questa piattaforma tecnologica sono vaste e si concentrano su due filoni principali. Il primo è l’evoluzione del monitoraggio strutturale e ambientale. Sensori autonomi, che non richiedono manutenzione energetica, possono essere dispiegati in massa in zone inaccessibili. Possono riattivarsi solo quando necessario – ad esempio al rilevamento di una vibrazione anomala – e trasmettere dati in tempo reale per la salvaguardia delle infrastrutture. Le applicazioni includono segnali di preallerta per movimenti indotti da terremoti, instabilità del suolo o danni da logoramento in ponti e gallerie.

Il secondo filone, forse ancora più strategico, riguarda le telecomunicazioni. Il comunicato del progetto cita esplicitamente l’uso dei dispositivi come risonatori ad altissima qualità per il 6G. Le future reti mobili richiederanno una densità di dispositivi e una capacità di comunicazione machine-to-machine oggi impensabili. Questi componenti – piccoli, efficienti, affidabili e ora anche autonomi energeticamente – sono candidati ideali per la prossima generazione di device connessi.

Oltre il prototipo: la valenza strategica per l’Europa

Finanziato da Horizon 2020 nell’ambito delle attività per la riduzione delle emissioni di CO2 (obiettivo Green Deal), il progetto risponde perfettamente anche alle preoccupazioni delineate nel Critical Raw Materials Act.

Sviluppando una tecnologia altamente performante che fa a meno di piombo e terre rare, il progetto persegue un obiettivo di sostenibilità ambientale, ma anche di autonomia strategica. Dimostra cioè la capacità dell’Europa di ridurre la propria dipendenza da catene di approvvigionamento critiche, innovando non solo sul materiale (il nitruro di alluminio) ma anche sul design (i metamateriali).